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Universidade Federal do Pará 

Centro Tecnológico 

Departamento de Engenharia Mecânica 

Grupo de Energia, Biomassa & Meio Ambiente 

I ESCOLA DE COMBUSTÃO 

BIOMASSA ENERGÉTICA: Caracterização de Biomassa 

MANOEL FERNANDES MARTINS NOGUEIRA 

mfmn@ufpa.br 

Florianópolis – SC 

Junho-2007 

Estrutura de biomassa vegetal 

EBMA 

ENERGIA, BIOMASSA & 

MEIO AMBIENTE

Esquema global da combustão de sólidos 

HEAT 

NONCONDENSIBLE VOLATILES 

(CO, CO 2 , CO 4 , NH 2 , H 2 O, etc.) 

AIR 

VOLATILES 

RADICALS, FRAGMENTS & 

PARTIALLY OXIDIZED 

COMPOUNDS 

OXIDATION PRODUCTS 

(i.e. CO 2 , H 2 O, O 2 , H 2 , NO x ) 

REACTIONS 

SOLID 

HEAT WATER VAPOR 

PARTICLE 

HEAT 

SOLID 

PARTICLE 

CONDENSIBLE VOLATILES 

(i.e. C 6 –C 20 compounds) 

COLD 

REGION 

GASEOUS ORGANIC 

EMISSIONS 

(i.e. CO, HCs, PAHs) 

SOLIDS 

HEAT 

REACTIVE 

CHAR 

UNBURNED 

CARBON 

Caracterização Energética de Biomassa - CEB 

PARTICULATES 

(inerts, condensation products, solid 

carbon products) 



MEIO AMBIENTE 

HEAT 

AIR 

INERTS 

REACTION SEQUENCE 

HEATING AND 

DRYING 

SOLID PARTICLE 

PYROLYSIS 

OXIDATION 

(LEFT AND CENTER IS GAS 

PHASE REGION; RICHT IS 

GAS-SOLIDS REGION 

POST COMBUSTION 



MEIO AMBIENTE 

Análise Imediata: % mássica em base seca ou úmida, c/ ou s/ cinza 

• Umidade, voláteis, carbono fixo, cinzas 

Análise elementar: % mássica 

• C, H, N, S e O 

Análise somativa: % mássica 

• Celulose, hemi-celulose, lignina e outras 

Composição das cinzas: % mássica 

• K, Na, Ca, Mg, P, Si, Fe 

Poder calorífico: (kJ/kg) 

Outras propriedades termo-físicas: 

• Condutividade térmica (kJ/m-K), calor específico (kJ/kg-K), fusibilidade das 

cinzas (K), densidade a granel (kg/m 3 ), massa específica (kg/m 3 ), porosidade 

(%), dimensões e formatos, ângulo de repouso.

Caracterização Energética de Biomassa - CEB 

Análise imediata, elementar e poder calorífico 

Caract. Ener. Bio: Análise imediata 

Casca de 

arroz 

Fibra de 

coco 

Caroço de 

açaí 

Base seca em % mássica 

T o C 500 

Voláteis Cinzas 



MEIO AMBIENTE 



MEIO AMBIENTE 

Carbono 

fixo 

63,6 20,6 15,8 

70,60 4,7314 24,67 

79,44 1,1057 19,45 

Entre os voláteis estão alcatrão e óleo que 

condensam entre 120-150 ºC


A análise imediata 

umidade (M); 

percentual de volátil (VM); 

cinza (UM); 

carbono fixo (C). 



MEIO AMBIENTE 

Usando testes segundo as normas da ASTM - American Society for 

Testing Materials. 

o A Umidade é quantificada pela perda de peso observada a 110°C. 

o O percentual de volátil é obtido através de aquecimento lento para 

950°C, onde a amostra é pesada novamente. 


Amostragem e Preparação das Amostras 

• NBR 6923 (Carvão Vegetal Amostragem e Preparação da 

Amostra). 



MEIO AMBIENTE 

Figura 1 – Triturador de amostras (a) Fechado (b) Detalhe local de colocação da amostra


Determinação do Teor de Voláteis. 



MEIO AMBIENTE 

• NBR 8112 (Carvão Vegetal – Análise Imediata). A 

aparelhagem e materiais utilizados foram: 

o Forno (mufla vertical) com temperatura controlada até 1100º C 

Mod. VMF / ASTM (Carbolite) Figura 3; 

o Balança analítica com sensibilidade de 0,001 g; 

Figura – Forno mufla 

vertical 


Determinação do Teor de Cinzas e Carbono Fixo 



MEIO AMBIENTE 

• NBR 8112 (Carvão Vegetal – Análise Imediata). A aparelhagem e 

materiais utilizados foram: 

• Forno (mufla horizontal) com temperatura controlada até 1100º C 

(Modelo AAF 1100 Carbolite). 

• Balança analítica com sensibilidade de 0,001 g; 

Figura – Forno mufla horizontal

Teor de Voláteis e Carbono Fixo 

(%) 

CEB: Análise imediata 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

Propriedades das Biomassas 



MEIO AMBIENTE 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 

Es pé cie s 

Poder Calorífico Teor de Voláteis Teor de Carbono Fixo 

ID Nome Comercial Nome científico: PCS (kcal/kg) 

Carbono Fixo 

(%) 

6000,00 

5000,00 

4000,00 

3000,00 

2000,00 

1000,00 

0,00 


Poder Calorífico (kcal/kg) 

Voláteis (%) Cinzas (%) DG (kg/m3) 


MEIO AMBIENTE 

1 Acapu 4944,30 20,91 78,72 0,3745 250 

2 Andiroba Carapa guianensis Aubl. 4720,67 10,14 89,86 0,0002 290 

3 Angelim 4183,33 15,13 70,01 14,8550 280 

4 Angelim Pedra Hymenolobium spp. 4739,40 17,15 81,56 1,2977 265 

5 Angelim vermelho Dinizia excelsa 4881,00 20,34 79,61 0,0457 250 

6 Bambu 4533,67 17,78 81,34 0,8777 267 

7 Breo 4756,20 14,19 85,62 0,1900 259 

8 Buchas trituradas de dendê 4142,40 15,23 72,86 9,9105 298 

9 Cacho seco de amêndoa 4622,67 16,60 80,55 2,8533 200 

10 Caroço de açaí NT 4576,00 19,45 79,44 1,1057 240 

11 Casca de amêndoa 5308,33 20,66 77,73 1,6106 220 

12 Casca de palmito 3864,67 18,00 76,14 5,8642 240 

13 

Cascas de castanha do 

Pará 4843,60 27,07 71,04 1,8823 240 

14 Cascas de nozes 5039,00 22,49 75,86 1,6515 260 

15 Cedro 4827,20 15,27 84,63 0,1031 249 

16 Copaíba Copaifera spp. 4755,00 9,05 90,87 0,0847 250 

17 Cumaru Dipteryx odorata 4810,30 13,29 86,65 0,0658 270 

18 Falso Pau-Brasil 5257,20 21,42 78,39 0,1874 220 

19 Fibra de coco 4458,33 24,67 70,60 4,7314 282 

20 Fibra de dendê 3953,18 19,59 76,21 4,2005 200 

21 Garapa 4463,00 18,33 78,51 3,1655 200 

22 Jatobá Hymenaea courbaril 4636,60 19,99 79,63 0,3808 200 

23 Louro-Faia Euplassa spp. 4710,00 17,75 82,04 0,2106 230

CEB: Análise elementar 



MEIO AMBIENTE 

A análise elementar dá a composição química, e o poder calorífico 

superior (PCS) dos combustíveis. A análise química normalmente lista o 

carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre, e percentual de cinza do 

combustível em base seca. 


C, H, N, S e por diferença O: 

Cuidado com a umidade → acrescenta H e O → base seca 

• Ex: madeira C 3,3-4,9 H 5,1-7,2 O 2,0-3,1 



MEIO AMBIENTE 

C H N S O Cinzas 

Casca de 

arroz 

38,3 4,4 0,83 0,06 35,5 21 

Pinheiro 59 7,2 - 32,7 1,13 

Caroço 

de açai 

46 6,0 0,8 - 46,0 1,2 

População H/C aproximadamente 1,5 e de O/C de aproximadamente 0,6 

O resultado da análise elementar 

permite calcular o poder calorífico 

superior e inferior


Exemplo de resultado da análise elementar 



MEIO AMBIENTE 


Combustíveis Sólidos: 


Análise do combustível de biomassa Combustíveis Sólidos: MEIO AMBIENTE 

Análise do combustível de biomassa 

Exemplo de resultado da análise elementar

CEB: Análise somativa 

Celulose 

b.m.s 

mole dura 

Celulose – C 6 H 10 O 5 45-50 40-35 

Hemi-celulose – C 5 H 8 O 4 25-35 24-40 

Lignina – C 9 H 10 (OCH 3 ) 0,9-1,7 25-35 18-25 

200 – 280 ºC 

280 – 340 ºC 

CEB: Poder calorífico 



MEIO AMBIENTE 

Carvão+H2O+CO+CO2+etc 

Alcatrão 

Voláteis 



MEIO AMBIENTE 

O Poder Calorífico Superior - PCS do combustível é determinado 

reagindo o combustível com oxigênio em um calorímetro e medindo o 

calor liberado a uma quantidade conhecida de água. O calor libertado 

durante este procedimento representa a quantidade máxima de energia 

que pode ser obtida da transferência de calor do combustível. 

• NBR 8633 (Carvão Vegetal Determinação do Poder Calorífico). 

Figura 2 – Bomba calorimétrica digital (Modelo C2000 Control, Ike Werke)


Q ⎡ ⎤ 

R kJ 

PCS = ⎢ ⎥ 

mcomb 

⎣kgcomb ⎦ 

Combustível 

+ 

Oxidante 

m comb P T umid. 

COMBUSTÃO 

Calor de Reação 

Q R [kJ] 

Na base seca é uma propriedade [HHV - GCV] 



MEIO AMBIENTE 

CO 2 + H 2 O + N 2 + 

Cinzas 

m cinzas P T 

Líquidos nos produtos é inconveniente. 

Ter vapor de água nos produtos reduz a quantidade de calor de reação pois o 

calor latente de vaporização não é liberado. 

Q R-V =Q r -Q cv 


Q CV = calor latente, energia necessária para mudança de fase – função da pressão 

= m H2O *L [L = entalpia de vaporização] 

Q 

m 

PCI PCS L P 

− 

2 = = − , 

R V 

HOP 

mcomb mcomb, 

R 

( ) 

PCI depende da umidade da biomassa 

[LHV - NCV] 



MEIO AMBIENTE 

Bomba calorimétrica (adiabático – volume constante) 

Análise elementar [kJ/kg] (C, H, O, S em % massa, b.s.) 

PCS = - 8419,7 + 479,3 C + 667,6 H + 58,8 O – 1207,7 S 

PCI = PCS[1-w/100] – 2,447*w/100 – 2,447*H/100*9,01[1-w/100] 

PCS kJ/kg 

BC Eq. 

Casca de arroz 12600 12700 

Pinheiro 25000 25334 

Caroço de açaí 19100 19084 

C - percentual de carbono, 

H - percentual de hidrogênio, 

S – percentual de enxofre, 

O - percentual de oxigênio 

W – percentual de umidade

Exemplo: 

Celulose 6 10 5 O H C 

seca 

kmol 

kg 

kmol 

kg % 

C → 6 x 12 = 72 = 44,4 

H → 10 x 1 = 10 = 6,2 

O → 16 x 5 = 80 = 49,4 

162 100 

Bomba Calorimétrica: 19,9 MJ/kg 

Pela análise elementar 



MEIO AMBIENTE 

PCS = -8419,7 + 479,3 x 44,4 + 667,6 x 6,2 + 58,8 x 49,4 - 1207,7 x 0 

PCS = 19,9 MJ/kg 

Exemplo: 

162 = 

kgcelulose → 5 x 18 90 kg H 2O 

90 

PCI = 19 , 9 - x 2,258 = 18,65 

162 

PCI 

Celulose C6H10O5 

Assumindo: → H O 

comb, 

u 

H 2 

MJ 

kg 

( m 

m 

) 

m 

comb s 

H O, 

comb + 

2 

= x PCS − 

m 

m 

, 2 

comb, 

u 

seca 

Se celulose está com 30% de umidade: 

PCI 

⎡ 30 ⎤ 

= PCS 

⎢ 

1− 

⎥ 

− 2, 

447 

⎣ 100⎦ 

x 

H O, 

umid 

30 

− 2, 

447 x 

100 

PCI = 12, 

23 

L 

6,2 

100 

MJ 

kg 

PCI = 

18, 

65 

⎛ 30 

x 9, 

01⎜1 

− 

⎝ 100 



MEIO AMBIENTE 

MJ 

kg 

⎞ 

⎟ 

⎠


CEB composição das cinzas 



MEIO AMBIENTE 

PCI decresce com o 

aumento do teor de 

umidade. 

Teores de umidade 

acima de 70% 

inibem chama. 

SiO 2, Al 2O 3, Fe 2O 3, CaO, MgO, Na 2O, K 2O, SO 3 (95%) 

Aumento de teor de cinzas, reduz PCS 

Cinza pode derreter formando escoria líquida: 

Sequência: Amolece → Fundi → Flui → Solidifica 

Consequência: Obstrução, isolamento, cobrimento. 

• Ca, Mg → Facilita o derretimiento das cinzas 

• K → dificulta 



MEIO AMBIENTE 

• Cl, S, K, Na → Promotores de corrosão (gases corrosivos, condensaveis 

100 – 150 ºC) 

• Cd e Zn → Problemas ambientais

CEB temperatura de fusão de cinzas 

Sintering temp. 

[ºC] 

Softening 

temp. [ºC] 

Hemisphere 

temp. [ºC] 



MEIO AMBIENTE 

Melting temp. 

[ºC] 

Number of 

samples 

Wood (beech, Austria) 1140 1260 1310 1340 1 

Wood (spruce, Austria) 1110 - 1340 1410 - 1640 1630 - >1700 >1700 3 

Bark (spruce, Austria) 1250 - 1390 1320 - 1680 1340 - >1700 1410 - >1700 3 

Bark + mineral impurities (spruce, Austria) 1020 1100 >1700 >1700 1 

Miscanthus (Austria) 820 - 980 820 - 1160 960 - 1290 1050 - 1270 27 

Miscanthus (Switzerland) - 980 1210 1320 n.s. 

Straw (winter wheat, Austria) 800 - 860 860 - 900 1040 - 1130 1080 - 1220 3 

Straw (winter wheat, Switzerl) - 910 1150 1290 n.s. 

Cereals (winter wheat, Austria) 970 - 1010 1020 1120 - 1170 1180 - 1220 3 

Grass (Austria) 890 - 980 960 - 1020 1040 - 1100 1140 - 1170 3 

Grass (Germany) 830 - 1130 950 -1230 1030 - 1280 1100 - 1330 9 

Grass (Switzerland) - 960 1040 1120 n.s. 

CEB composição das cinzas 

Element 

Guiding 

concentration in the 

fuel (wt% on d.b.) 

N

CEB: Outras propriedades 

Densidade à granel: massa da biomassa / volume biomassa 

• Define logística a ser aplicada: transporte, armazenamento. 

• NBR 6922 (Ensaios Físicos Determinação da Massa Específica). 



MEIO AMBIENTE 

o Balança com capacidade máxima igual à 130 kg e precisão de 50 gramas; 

o Caixa de paredes rígidas com as seguintes dimensões internas. 600x600x600 

mm, e de massa conhecida. 

Condutividade térmica: define a taxa de transferência de calor da 

superfície para o interior da biomassa. Depende da umidade. 

⎡BTU − in ⎤ 

k = ( 1,39 + 0,28w) + 0,165 ⎢ ⎥ w < 30% 

o 

⎣ lb − F ⎦ 

o d = densidade relativa da biomassa (m b /V b )/(m/V) H2O 

o w = umidade da biomassa 

Calor específico: define a quantidade de energia necessária para elevar 

a temperatura da biomassa em 1 ºF. 

• Para a madeira seca c = 0,25 + 0,0006T [BTU/lb- o F] 

CEB: Outras propriedades 

Dimensões e formatos 



MEIO AMBIENTE 

O tamanho e a forma das partículas do combustível são importantes para determinar a 

dificuldade de transportar o combustível e o comportamento (distribuição) do combustível 

dentro do reator. A uniformidade do tamanho da partícula é necessária para superar 

alguns problemas. 

Um bom projeto de sistema de alimentação de combustível pede um ângulo de cone que 

é dobro o ângulo de abrigo de repouso. Com um ângulo de repouso mais de 45°, o 

combustível pode não fluir nem sequer em um cilindro direto. Sempre são desejáveis 

paredes lisas . 

• Afeta a perda de carga dos gases; 

• Retenção do fluxo de biomassa; 

o Ex: na gasificação ocorre concentração de oxigênio elevando a razão de 

equivalência e o processo torna-se combustão. 

• Pequenas partículas são arrastadas e as grandes tem problema de retenção e 

combustão incompleta (5 – 40mm)

Banco de dados de biomassa 

1. IEA Bioenergy: composition of fuels and ashes 

www.ieabioenergy-task32.com 



MEIO AMBIENTE 

2. BIOBIB database: resultados de análises elementares e 

imediatas mais informações sobre fusibilidade de cinzas 

www.vt.tuien.ac.at 

3. Phyllis: composição e dados de biomassa 

www.ecn.nl/phyllis 

Referências Bibliográficas 



MEIO AMBIENTE 

Kaupp, A. State of the art for small scale gas producer-engine systems. Golden: Biomass 

Energy Foundation Press 

Loo, S. V. e J. Koppejan. Handbook of Biomass: Combustion and Co-Firing. Enschede: 

Twente University Press. 2002. 348 p. 

Oliveira, A. G. D. P. e M. F. M. Nogueira. Caracterização energética de biomassas 

Amazônicas. AGRENER 2006. Campinas 2006. 

Reed, T. B. Biomass themal conversion. Golden: Biomass Energy Foundation Press. 

2002 

Tillman, D. A. The Combustion of Solid Fuels and wastes. San Diego: Academic Press. 

1991. 378 p. 

Ushima, A. H. Combustão de Sólidos: IPT 2005.

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